Strøminngang i rørt bioreactors kan måles gjennom dreiemoment som virker på pumpehjulet akselen under rotasjon. Denne oppgaven beskriver hvordan en luft peiling kan brukes effektivt redusere friksjon tap i mekaniske tetninger og forbedre nøyaktigheten av makt inn mål i småskala fartøy.
Strøminngang i rørt bioreaktorer er en viktig parameter for skalering-up og kan måles gjennom dreiemoment som virker på pumpehjulet akselen under rotasjon. Eksperimentell bestemmelse av strøminngang i småskala skip er imidlertid fortsatt utfordrende på grunn av relativt høy friksjon tap i vanlige foringer, lagrene og/eller aksel sel og nøyaktigheten av kommersielt tilgjengelig dreiemoment meter. Dermed er bare begrenset data for småskala bioreaktorer, spesielt engangs systemer, tilgjengelig i litteraturen, gjør sammenligninger mellom forskjellige engangs systemer og deres vanlige motstykker vanskelig.
Dette manuskriptet gir en protokoll på hvordan måle strøminnganger i Borstemmaskin skala bioreactors over et bredt spekter av turbulens forhold som kan beskrives ved dimensjonsløs Reynolds nummeret (Re). Nevnte friksjon tap reduseres effektivt ved bruk av en luft peiling. Fremgangsmåte for hvordan du definerer, gjennomføre og evaluere et dreiemoment-basert makt inn måling, med spesiell fokus på celle kultur typisk agitasjon forhold med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104), er beskrevet i detalj. Strøminngang av flere multi-bruk og bruke én bioreaktorer er levert av dimensjonsløs makt nummeret (også kalt Newton nummer, P0), som blir funnet i området av P0 ≈ 0,3 og P0 ≈ 4.5 for maksimal Reynolds tallene i de forskjellige bioreactors.
Inngang er viktige tekniske parameter for karakterisering og skalere opp bioreaktorer fordi det gjelder mange enhet operasjoner, for eksempel homogenisering1,2,3gass-væske spredning2 , 4 , 5, varme overføring6 og solid suspensjon7. Inngang er forbundet med skjæring stress, som kan spesielt påvirker vekst og produkt-formasjonen i skjær følsom celle kulturer8,9,10,11.
De fleste vanlig teknikkene trekke for måling av strøminngang i rørt bioreaktorer er basert på elektrisk kraft12,13,14, calorimetry12,15 (i.e. stasjonær varme- balanse eller dynamisk oppvarming gjennom agitasjonen) eller dreiemoment på agitator. Sistnevnte kan eksperimentelt bestemmes av dynamometer, dreiemoment meter eller Måløy, som har vært brukt en rekke agitators, inkludert én eller flere trinn Rushton turbiner1,16,17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25, pitched blad viftehjulene19,20,23,26,27, InterMig19,21 og Scaba viftehjulene28 , 29. en detaljert gjennomgang er levert av Ascanio et al. (2004)30.
Fra dreiemoment (T), kan inngangen (P) estimeres fra Eq. 1, der N er agitator rotasjonshastighet.
(1)
For å kunne tap forekommer i agitasjon (i lagrene, sel og motoren selv), bør effektiv dreiemoment (Teff) fastsettes som forskjellen mellom verdien målt i tomme beholderen (TD) og i væsken (TL ). Endelig kan dimensjonsløs makt nummeret (P0, også kjent som Newton tall), som er definert av Eq. 2 der ρL angir flytende tetthet og d representerer pumpehjulet diameter, brukes til å sammenligne forskjellige agitators.
(2)
Det er velkjent at hvor makt er en funksjon av hvor Reynolds (i.e. turbulens) og blir konstant under fullt turbulent forhold. Pumpehjulet Reynolds nummer defineres av Eq. 3, hvor ηL er flytende viskositeten.
(3)
Likevel er makt inn mål i liten skala bioreaktorer fortsatt utfordrende på grunn av de relativt høy friksjon tap i mekanisk lagrene av pumpehjulet sjakter og begrenset nøyaktigheten av de fleste kommersielt tilgjengelige dreiemoment meter. Derfor bare noen rapporter om makt inn målinger i Borstemmaskin skala bioreaktorer har vært publisert17,,18,,22,,24,,31,,32. Det er også en mangel på data om inngangen i engangs bioreactors, som leveres av produsentene prefabrikkerte, sterilisert og klar til bruk33,34. I motsetning til deres gjenbrukbare kolleger, er de fleste engangs bioreaktorer opphisset av spesialdesignet viftehjulene, sammenlikner vanskelig.
For å lukke dette gapet, er en pålitelig metode for makt inn målinger med spesiell fokus på laboratoriet skala stirrers utviklet nylig35. Tiltrekkingsmoment verdier målt i de tomme kar, som var forårsaket av friksjon tap, ble effektivt redusert ved bruk av en luft peiling. Derfor en rekke operative forhold med lav til moderat turbulens (100 < Re < 2·104) kan undersøkes og makt input av flere multi-bruk og bruke én bioreaktorer er levert.
Studien gir detaljert måling protokollen tidligere utviklet metoden og beskriver hvordan du definerer, gjennomføre og evaluere et dreiemoment-basert makt inn mål i laboratoriet skala bioreactors. Spesiell fokus er kommersielt tilgjengelige enkelt – og multi – use systemer. En automatisert måling fremgangsmåte brukes til å redusere eksperimentelle arbeidet.
Til tross for betydningen av den (spesielle) inngangen for engineering karakterisering og skalering-opp av bioreaktorer, bare noen få publikasjoner på eksperimentell undersøkelser i Borstemmaskin skala bioreaktorer, spesielt bruke én systemer i den ensifret liter område, kan finnes i litteraturen. En årsak til denne mangelen på data kan sees i vanskelighetene med nøyaktig makt inn mål i slike små skjell. For å overvinne noen av disse vanskelighetene, gir studien en detaljert protokoll for dreiemoment basert makt inn målinger som støttes av en luft betydning å redusere friksjon tap i lageret. Anvendelse av metoden ble demonstrert med tre kommersielt tilgjengelig bruke én bioreaktorer samt multi-bruk bioreaktorer i skalaer mellom 1 L og 10 L volum.
Basert på vår erfaring med dreiemoment basert målene, de viktigste faktorene for å adresse er: 1) redusere døde dreiemoment ved å minimere friksjon tap inne i lagrene og sel, spesielt i laboratorium skalere bioreaktorer og 2) valg av en egnet dreiemomentmåler for ønsket bioreactor størrelse og agitasjon forhold. Som har blitt vist tidligere35, reduseres død dreiemoment dramatisk ved bruk av en luft peiling. I studien, ble en lavpris foring av porøse karbon materiale brukt. Gjenværende dreiemoment i de tomme kar testet var vanligvis under 0,5 mN·m med agitasjon priser på opptil 900 rpm, tilsvarer pumpehjulet tips hastigheter på opptil 3 m·s-1. Derimot døde dreiemomentet fra bioreactor #6 med innebygd mekanisk aksel lageret var, for eksempel mellom 9,4 mN·m og 20 mN·m, og tilsvarende verdier på rundt 3 mN·m er også rapportert bioreactor #732. Dette er om en bestilling av omfanget høyere enn verdiene innhentet i det foreslåtte eksperimentelle oppsettet.
Foruten luft lageret er dreiemomentmåler brukes den mest kritiske komponenten. En kommersielt tilgjengelig dreiemomentmåler som er utformet for å måle statisk og dynamisk dreiemoment, hastighet og rotasjonsvinkel ble valgt for denne studien. Vurderer bioreaktorer rundt med maksimal arbeider mengder 10 L og de tilsvarende agitators, nominell dreiemoment 0,2 N·m ble valgt. Det ble funnet at høy reproduserbarhet med relativ standardavviket for replikerer < 5% og pålitelig målinger kan oppnås for effektiv dreiemomenter så lavt som 2 mN·m, tilsvarende bare 1% av nominell dreiemoment. Derfor var Måleområde av sensoren brukt studien betydelig større enn resultatene som er publisert basert på en inter-laboratory studie av medlemmer av den tyske GVC-VDI arbeidsgruppen på miksing41.
Likevel bør rekke agitator hastigheten være nøye utvalgt med hensyn til dreiemoment sensor oppløsning, nominell dreiemoment og vortex dannelsen. Sistnevnte ofte oppstår i unbaffled bioreaktorer opphisset ved høyere hastigheter og kan forårsake skade på dreiemomentmåler. Både minimums- og mulig agitator hastigheten kan være Begrensende faktorer av metoden beskrevet i denne studien. I tillegg til våre tidligere arbeid35, denne studien involverte også bioreactor #3, den minste medlemmet i glass bioreactor familie levert av produsenten, som er glade totrinns viftehjulene med diameter på 42 mm. Sammenlignbare makt karakteristisk som i den Geometrisk tilsvarende bioreactor #4 ble oppnådd med presentert eksperimentelle oppsett. Dette er bemerkelsesverdig siden dreiemoment skalerer M d5 for en gitt flytende tetthet, pumpehjulet geometri (i.e. makt tall) og rotasjonshastighet (se Eq. 1 og Eq. 2). Derfor en ca 40% lavere pumpehjulet dreiemoment resultater fra 10% mindre pumpehjulet diameter, for eksempel. Likevel var høyere rotasjonshastighet i 1 L skala enn i 2 L omfanget nødvendig under operasjon å løse produsert dreiemoment med de tilgjengelige dreiemomentmåler. På grunn av de innebygde Bafflene av bioreactor #3, ingen vortex formasjon ble observert, men dette kan bli et problem med unbaffled fartøy. Det bør understrekes at konstanten forskyvning i kraft tallene som ble funnet mellom to skalaer kan følge av måling unøyaktigheter skyldes begrenset sensor oppløsning (i tillegg til geometriske forskjeller). Videre undersøkelser er nødvendig å trekke endelige konklusjoner på minimum skala som foreslåtte oppsettet er fortsatt mulig.
Likevel, den samme protokollen ble brukt for makt inn mål i ulike glass fartøy fra forskjellige produsenter med arbeider mengder mellom 1 L og 10 L i vårt laboratorium. Dette understreker omsetningsbegrensninger på brukte metoden for karakterisering av ulike bioreactor systemer. Eksperimentelle arbeidet kunne reduseres automatisk mål med resepthåndtering automatisering systemet av kontroll enhet og automatisert databehandlingen basert på universal Matlab språket.
Videre bør det bemerkes at ved hjelp av sukrose inneholder, billig newtonsk modell media, et bredt utvalg av Reynolds numbers (100 < Re < 6·104), avhengig av agitator og skala, ble dekket. Det bør også understrekes at den nedre grensen av området turbulens er vanligvis irrelevant for dyr cellekulturer med vann-lignende medier, selv om svært lav pumpehjulet hastigheter brukes. Imidlertid betydelig økning i kjøttkraft viskositet, som resulterer i turbulens demping, og selv ikke-newtonsk atferd har blitt beskrevet for sopp – og plante celle-baserte kulturer. For eksempel har tydelig viskositet i anlegget kulturer av opptil 400-fold forhold til vann vært rapportert42, som fører til mye lavere Reynolds numbers.
Til slutt, bruker bioreactor #7 som en første studie, det har blitt demonstrert at foreslåtte eksperimentelle oppsett kan brukes til å studere effekten av endringer på strøminngang på laboratoriet skala. I kombinasjon med rapid prototyping teknikker, kan dette være et kraftig verktøy for pumpehjulet design studier, som vil danne deler av fremtidige arbeid.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gjerne takke Dieter Häussler og slå Gautschi for deres hjelp under den eksperimentelle satt opp. Vi er også takknemlige for Caroline Hyde engelsk bevis lese.
T20WN torque meter | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
Nominal torque 0.2 Nm | |
Spider-8 | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
HBM Spider8 is no longer available for sale. QuantumX DAQ system (especially the QuantumX modules MX840A and MX440A) are recommended. |
|
Catman easy software | HBM Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH |
Version 4.2.2 | |
Air bearing | IBS precision engineering | 13 mm air bushing | |
Stainless steel impeller shaft | Bioengineering AG | Shaft tolerance -0.0076 mm | |
Brushless motor AKM2 | Kollmorgen | ||
Metal bellow coupling | Uiker AG | ||
Finesse RDPDmini control unit | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | No longer supported (the replacement product G3Lab universal controller can be used) | |
Sucrose | Migros Schweiz AG | Food grade | |
Matlab software | Mathworks | Version R2017a | |
Finesse μTruBio PC software | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | Version 3.1 (no longer supported) | |
SmartGlass 1L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Bioreactor 1L in Table 2 | |
SmartGlass 3L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Bioreactor 3L in Table 2 | |
SmartVessel 3L | Finesse, a part of Thermo Fisher Scientific | referred to as Single-Use 3L Bioreactor in Table 2 | |
Mobius CellReady 3L | Merck Millipore | referred to as Cell Ready Single-Use 3L Bioreactor in Table 2 | |
UniVessel SU 2L | Sartorius Stedim Biotech | referred to as Single-Use 2L Bioreactor in Table 2 |